Spécification des besoins en puissance dans les applications VEH

L’étude des supercondensateurs doit être faite en tenant compte de l’application visée. L’analyse des besoins en puissance s’avère donc nécessaire. D’une manière générale, la propulsion d’un véhicule nécessite une puissance variable, caractérisée par un régime crête pendant les phases d’accélération et de freinage, mais aussi par un besoin relativement constant pendant le roulage à la vitesse de croisière.

Plus particulièrement, les niveaux de puissance et leurs durées dépendent essentiellement du type de véhicule (sa forme, son poids et ses dimensions), de son architecture, de la nature des sources électriques présentes à bord et du profil de mission. Dans le domaine de la normalisation des essais applicables aux éléments de stockage, les efforts du INEEL “Idaho National Engineering and Environmental Laboratory” ont conduit à un document d'importance consacré aux batteries [Inee-01]. Dans ce manuel, des procédures spécifiques sont développées pour tester l’aptitude des éléments de stockage à remplir les besoins de deux types de véhicules hybrides. Le premier possède une fonction assistance électrique plus spécifique aux architectures parallèles et le second possède la fonction tout électrique plus spécifique aux architectures séries. Les niveaux de puissance exigés sont de 25 à 45kW pendant des durées de 2 à 18s avec un rendement énergétique supérieur à 90%. En ce

qui concerne la durée de vie en nombre de cycles de charge/décharge, 300000 cycles sont envisagés avec une faible variation de la profondeur de décharge dans le cas du mode assistance électrique et 3750 cycles avec des variations de profondeur de décharge plus grandes.

Ces objectifs sont très difficiles à atteindre avec la technologie actuelle. Dans la continuité de ce programme, FreedomCAR 42V est un projet qui recadre les objectifs en les orientant vers l'assistance électrique pour les véhicules hybrides à réseau de bord 42V [Inee-03]. Les nouvelles spécifications se résument à des niveaux de puissance de 6 à 18kW pendant 2 à 10s. Le nombre de cycles de charge/décharge visé est de 150000.

En parallèle, la demande en énergie électrique des véhicules conventionnels ne cesse de croître. Aujourd’hui, la plupart des fonctions sont contrôlées ou actionnées par des systèmes électroniques. Dans le tableau 1.3, nous listons le besoin en puissance électrique pour quelques fonctionnalités propres aux véhicules conventionnels [Weig-03]. Ces valeurs montrent que les systèmes 12V ne seront plus capables de subvenir au besoin en puissance électrique. Les constructeurs automobiles envisagent alors de passer à un réseau de bord 42V [Bros-02] [Weig-03] [Spie-03] [Trin-03]. En plus des fonctions existantes de confort, d’actionnement et de contrôle, le système 42V permettra de réaliser des fonctions Start-Stop et d’assistance électrique grâce, par exemple à un alterno-démarreur combiné (Combined Starter Alternator) ou au démarreur générateur intégré (ISG) pour lequel Siemens impose une puissance de 4 kW continue, des pics de puissance supérieurs à 10kW et une puissance de démarrage à froid de 6kW pendant 10 secondes.

Tableau 1.3 : Demande en puissance électrique pour les véhicules conventionnels

Fonction Puissance (W) Commercialisation Objectif

Feux 600 Etablie Sécurité

Vitres 700 Etablie Confort

Dégivreur arrière 1500 Etablie Confort

Sièges 1000 Etablie Confort

ABS 2500 Etablie Sécurité

Assistance de direction 1500 1-3 ans Baisse de consommation Chauffage instantané 3000 1-3 ans Confort

Pare-brise chauffé 1500 1-3 ans Confort Catalyseur chauffé 2000 1-3 ans environnement Climatisation électrique 3500 1-3 ans Baisse de consommation Soupape électromagnétique 4000 5-10 ans Baisse de consommation

Suspension active 12000 8-15 ans Sécurité

L’apparition des supercondensateurs comme candidat potentiel pour des applications VEH a conduit à l’élaboration de procédures de test mieux adaptées à ces éléments [Inee-04]. Les performances souhaitées des supercondensateurs sont regroupées dans le tableau 1.4.

Tableau 1.4 : Performances souhaitées des supercondensateurs

Caractéristiques 12V Start-Stop

(TSS) ^{42V Start-Stop (FSS) 42V Transient Power} Assist (TPA) Impulsion de puissance en décharge

(kW) ^{4.2 (2sec) 6 (2sec) 13 (2sec)} Pic de puissance régénérative (kW) Non autorisé Non autorisé 8(2sec)

Impulsion de démarrage à froid@-30°C

4.2 kW (7Vmin) 8 kW (21Vmin) 8 kW (21Vmin) Energie disponible (Wh@1kW) 15 30 60

Puissance de recharge (kW) 0.4 2.4 2.6 Durée de vie en cycles 750k

Durée de vie (Ans) 15 Rendement énergétique (%) 95 Autodécharge (72heures à Vmax) <4%

Tension maximale de service (Vdc) 17 48 48 Tension minimale de service (Vdc) 9 27 27 Température de fonctionnement (°C) -30 à 52

Température de stockage (°C) -46 à 66

Poids maximum (kg) 5 10 20

Volume maximum (l) 4 8 16

Finalement, nous en déduisons plusieurs profils de mission, en puissance ou en courant. Tous montrent des besoins en puissance crête pendant quelques secondes avec une périodicité typique d’une à deux minutes. Parmi ces profils, nous avons choisi de montrer le “Power Assist Profile”, figure 1.6.a, qui a été spécifié grâce à la collaboration de plusieurs constructeurs automobiles européens [Trin-03]. Quant à la figure 1.6.b, elle montre un profil qui a été appliqué à des supercondensateurs pour l’étude de leur vieillissement en cyclage actif [Coqu-04]. Avec un supercondensateur de capacité 2600F et une tension variant entre 1.25 et 2.5V, la quantité d’électricité disponible vaut 0.9Ah. Cette valeur est largement supérieure aux 0.5 et 0.61Ah requis par les profils présentés.

(a) profil "power assist" (b) profil INRETS

Figure 1.7 : Exemples de profils en courant demandés dans les applications VEH

Ces données permettent de répondre à un certain nombre de questions concernant l’utilisation des supercondensateurs en tant que source de puissance. Nous concluons donc sur le fait que les profils de courant susceptibles d’être appliqués aux supercondensateurs seront

caractérisés par une succession de phases de charge et de décharge, parce que ce sont des éléments de stockage à énergie finie (relativement faible) et donc ils doivent être rechargés régulièrement. De plus, les cycles urbains sont caractérisés par de très nombreuses phases d’accélération et de freinage. Un des objectifs est cependant de dégager de ces profils une période représentative, ce qui permettra de définir un cycle élémentaire que l'on pourra ensuite reproduire un certain nombre de fois. La période typique couramment observée est comprise entre 1 et 2 minutes. Les amplitudes des impulsions de courant sont de l’ordre de plusieurs centaines d’ampères. Enfin, la durée des phases de charge et de décharge est variable mais globalement comprise dans un intervalle de temps allant de quelques dixièmes à une dizaine de secondes.